ESD引起集成電路損壞原理模式及實例

　　本文蔣介紹ESD引起集成電路損壞原理模式及實例

　　一.ESD引起集成電路損傷的三種途徑(1)人體活動引起的摩擦起電是重要的靜電來源，帶靜電的操作者與器件接觸并通過器件放電。(2)器件與用絕緣材料制作的包裝袋、傳遞盒和傳送帶等摩擦，使器件本身帶靜電，它與人體或地接觸時發(fā)生的靜電放電。(3)當(dāng)器件處在很強(qiáng)的靜電場中時，因靜電感應(yīng)在器件內(nèi)部的芯片上將感應(yīng)出很高的電位差，從而引起芯片內(nèi)部薄氧化層的擊穿。或者某一管腳與地相碰也會發(fā)生靜電放電。根據(jù)上述三種ESD的損傷途徑，建立了三種ESD損傷模型：人體帶電模型、器件帶電模型和場感應(yīng)模型。其中人體模型是主要的。

　　二.ESD損傷的失效模式(1)雙極型數(shù)字電路a.輸入端漏電流增加b.參數(shù)退化c.失去功能，其中對帶有肖特基管的STTL和LSTTL電路更為敏感。(2)雙極型線性電路a.輸入失調(diào)電壓增大b.輸入失調(diào)電流增大c.MOS電容(補(bǔ)償電容)漏電或短路d.失去功能(3)MOS集成電路a.輸入端漏電流增大b.輸出端漏電流增大c.靜態(tài)功耗電流增大d.失去功能(4)雙極型單穩(wěn)電路和振蕩器電路a.單穩(wěn)電路的單穩(wěn)時間發(fā)生變化b.振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化c.R.C連接端對地出現(xiàn)反向漏電。

　　三.ESD對集成電路的損壞形式a.MOS電路輸入端保護(hù)電路的二極管出現(xiàn)反向漏電流增大b.輸入端MOS管發(fā)生柵穿c.MOS電路輸入保護(hù)電路中的保護(hù)電阻或接觸孔發(fā)生燒毀d.引起ROM電路或PAL電路中的熔斷絲熔斷e.集成電路內(nèi)部的MOS電容器發(fā)生柵穿f.運算放大器輸入端(對管)小電流放大系數(shù)減小g.集成電路內(nèi)部的精密電阻的阻值發(fā)生漂移h.與外接端子相連的鋁條被熔斷i.引起多層布線間的介質(zhì)擊穿(例如：輸入端鋁條與n+、間的介質(zhì)擊穿)四.ESD損傷機(jī)理(1)電壓型損傷a.柵氧化層擊穿(MOS電路輸入端、MOS電容)b.氣體電弧放電引起的損壞(芯片上鍵合根部、金屬化條的最窄間距處、聲表面波器件的梳狀電極條間)c.輸入端多晶硅電阻與鋁金屬化條間的介質(zhì)擊穿d.輸入/輸出端n+擴(kuò)區(qū)與鋁金屬化條間的介質(zhì)擊穿。(2)電流型損傷a.PN結(jié)短路(MOS電路輸入端保護(hù)二極管、線性電路輸入端保護(hù)網(wǎng)絡(luò))b.鋁條和多晶硅條在大電流作用下的損傷(主要在多晶硅條拐彎處和多晶硅條與鋁的接觸孔)c.多晶硅電阻和硅上薄膜電阻的阻值漂移(主要是高精度運放和A/D、D/A電路)五.ESD損傷實例最容易受到靜電放電損傷的集成電路有：CCD、EPROM、微波集成電路、高精度運算放大器、帶有MOS電容的放大器、H

　　C、HCT、LSI、VLSI、精密穩(wěn)壓電路、A/D和D/A電路、普通MOS和CMOS、STTL、LSTTL等。

　　(1)國外實例a.Motorola公司生產(chǎn)的MOS大規(guī)模集成電路─微處理器(CPU)，在進(jìn)行老練試驗的11個星期中仔細(xì)進(jìn)行了觀察和記錄。發(fā)現(xiàn)在試驗開始階段因為沒有采用導(dǎo)電盒放置樣品，拒收數(shù)與被試驗元件總數(shù)相對比例約為40×10-n(n值為保密數(shù)字)。但從第四個星期開始，樣品采用鍍鎳盒放置后，則降低15×10-n。此試驗相繼跟蹤了7個多星期，平均的拒收比例為18×10-n。說明MOS大規(guī)模電路在使用過程中必須采取嚴(yán)格的防ESD措施。

　　b.某公司共進(jìn)行了18700只MOS電路的老練，發(fā)現(xiàn)失效率很高，經(jīng)分析和研究認(rèn)為大部分失效是由ESD引起。于是該公司為此問題專門寫了一份有改正措施的報告，并對全體有關(guān)人員進(jìn)行了防靜電放電損傷的技術(shù)培訓(xùn)，器件采用防ESD包裝，加強(qiáng)了各項防ESD損傷的措施，后來又老練了18400只同種器件，拒收率降低到原來的1/3。

　　c.某一批“64位隨機(jī)存貯器”，從封裝到成品測試，其成品損失率為2%，該存貯器為肖特基-雙極型大規(guī)模電路，經(jīng)調(diào)查，操作過程中曾使用過塑料盒傳遞器件，由于靜電放電損傷了輸入端的肖特基二極管，使二極管反向特性變軟或短路。

　　d.一批“雙極模擬開關(guān)”集成電路，在裝上印制電路板，經(jīng)保形涂覆后，少數(shù)樣品出現(xiàn)輸入特性惡化。解剖分析后，發(fā)現(xiàn)輸入端(基極)的鋁金屬化跨過n+保護(hù)環(huán)擴(kuò)散層處發(fā)生短路或漏電，去除鋁后，可發(fā)現(xiàn)n+環(huán)上的氧化層有很小的擊穿孔。由于n+擴(kuò)區(qū)上的氧化層較薄，并且光刻腐蝕的速度較快，因而容易發(fā)生ESD擊穿，版圖設(shè)計時，如果必須采用n+擴(kuò)散層作埋層穿接線，其位置應(yīng)慎重選擇，避免輸入端鋁金屬化跨過n+擴(kuò)區(qū)，對于輸入端鋁條跨過n+擴(kuò)區(qū)的雙極電路，使用時應(yīng)采取必要的防靜電措施。

　　e.測試和傳遞中出現(xiàn)肖特基TTL電路(54S181、54S420)電性能異常，輸入漏電增大。經(jīng)解剖分析，在金相顯微鏡下觀察芯片表面未發(fā)現(xiàn)任何電損傷痕跡，但在去除鋁和SiO2后，在輸入端的發(fā)射極接觸孔內(nèi)卻發(fā)現(xiàn)了較輕的小坑，再用CP4溶液進(jìn)行腐蝕后小坑變得更加明顯。用“靜電模擬器”進(jìn)行模擬試驗，出現(xiàn)的失效現(xiàn)象與它十分類似?？梢娺@種失效是由ESD損傷引起，也可能是其它的輕度電損傷引起。

　　f.某儀表系統(tǒng)輸入端使用的2N5179超高頻晶體管多次發(fā)生失效，失效模式為放大系數(shù)降低，特別是在小電流下(例如Ic=100μA)的放大系數(shù)下降到大約為1左右，同時eb結(jié)出現(xiàn)較大反向漏電。解剖后，在金相顯微鏡下觀察芯片表面，在eb極之間的鋁條上有一個很小的變色區(qū)，它是由瞬間的電過應(yīng)力(電浪涌)引起的過合金區(qū)，這種失效一般由靜電放電引起，對于輸入端為超高頻小功率管基極的電子系統(tǒng)，輸入端應(yīng)設(shè)計輸入保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，如果系統(tǒng)特性不允許增加保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，則必須采取防靜電放電操作措施。

　　g.帶有MOS電容器作為內(nèi)補(bǔ)償?shù)倪\算放大器，在使用中常有失效，失效現(xiàn)象是輸出電壓在稍低于正電源電壓下發(fā)生閉鎖。經(jīng)解剖分析證實，失效由MOS電容器出現(xiàn)大漏電引起，漏電電阻約為400Ω。因為作補(bǔ)償?shù)腗OS電容器的一端直接與電路的外引線相連(V+端)。利用掃描電鏡(SEM)觀察，發(fā)現(xiàn)MOS電容邊緣明顯有很小的擊穿點，此特征表明失效由ESD損傷引起。

　　h.在一次系統(tǒng)裝配完畢后的檢查中，發(fā)現(xiàn)6只101A型雙極運算放大器失效，失效模式是輸入失調(diào)電壓增大到40mV。用特性曲線圖示儀測試管腳-管腳間特性，出現(xiàn)輸入端特性異常。解剖后，利用金相顯微鏡觀察芯片上的輸入端，發(fā)現(xiàn)有飛弧狀的電損傷痕跡，它是電瞬變引起的電過應(yīng)力損傷，這種電瞬變可能是由ESD引起。經(jīng)調(diào)查，在印制板的電裝工藝線上，用靜電電壓表檢測印制板上的靜電電壓，在開路區(qū)域上電壓達(dá)800V以上，特別是在空氣干燥的冬季或進(jìn)行高溫烘烤時，印制板上的靜電電壓更高。

　　(2)國內(nèi)實例a.某廠生產(chǎn)的CMOS電路經(jīng)篩選入庫后，在抽查中每次都發(fā)現(xiàn)有較大數(shù)量失效(約占5%)，失效模式為輸入漏電增大，經(jīng)調(diào)查與分析，發(fā)現(xiàn)失效是由ESD損傷引起的。因為該廠生產(chǎn)的CMOS電路在測試前后都放置于普通塑料盆內(nèi)，塑料上的靜電荷傳遞給CMOS電路，在測試過程中，當(dāng)器件接觸人體或桌面上的接地金屬時就會立即引起放電，導(dǎo)致ESD損傷而失效。

　　后來采取了一系列防ESD措施，并將普通塑料盒改用導(dǎo)電塑料盒，這一失效現(xiàn)象就立即消失了。b.在電子設(shè)備的調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)雙極集成電路中的單穩(wěn)電路和振蕩電路常出現(xiàn)失效，失效現(xiàn)象是單穩(wěn)電路已調(diào)整好了的單穩(wěn)時間常發(fā)生漂移;振蕩器已調(diào)好的振蕩頻率也常發(fā)生漂移。經(jīng)解剖分析，發(fā)現(xiàn)失效是由ESD損傷或電瞬變損傷引起。解剖后，用金相和掃描電鏡檢查芯片表面，在外接R.C的一端，管子eb結(jié)有很輕度的電損傷痕跡(有的樣品還無明顯損傷痕跡)。測試該端eb結(jié)反向特性已變壞，有較大反向漏電。由于它們是雙極型集成電路，所以在調(diào)試過程中并未采取防ESD損傷措施。但這兩種電路有一個共同特點，就是外接R、C的端子是晶體管的基極，并且該管的發(fā)射極又是直接接地的，無任何限流電阻。在機(jī)器調(diào)試時，要反復(fù)更換電容或電阻，將單穩(wěn)寬度和振蕩頻率調(diào)整到滿足機(jī)器所需值。調(diào)機(jī)時機(jī)器是接地的，當(dāng)更換R、C元件時，烙鐵和人體都要接觸該集成電路外接R、C的端子，如果人體帶靜電就會通過電路對地放電，并且放電回路只有一個發(fā)射極二極管，因此它們對ESD比較敏感。此外，如果烙鐵的接地不良或不當(dāng)。例如，烙鐵接的是交流地與機(jī)器不是同一地，兩個地線之間的電位差引起的放電也會損壞電路。所以，雙極電路中的單穩(wěn)和振蕩器也應(yīng)采取防ESD損傷措施，并且要特別注意烙鐵的接地狀況。c.航天產(chǎn)品上應(yīng)用的一種進(jìn)口的“隔離放大器”，在測試和機(jī)器調(diào)試中常有失效，由于這種放大器是雙極型二次集成電路，說明書上只有功能方塊圖，無具體線路圖，所以使用者未采取任何防靜電的措施。失效模式為輸出端對地呈現(xiàn)低電阻或短路，經(jīng)解剖分析，發(fā)現(xiàn)每只電路內(nèi)部都有3只MOS電容器，其中有一只就是直接跨接在解調(diào)器的輸出與地之間。因此，該輸出端很怕靜電放電。由于使用者并不了解這一特殊情況，所以未采取防靜電措施，結(jié)果ESD損傷失效常有發(fā)生，經(jīng)濟(jì)損失很大。后來采取防靜電措施后，輸出對地短路的失效現(xiàn)象就消?d.某航天電子產(chǎn)品用肖特基TTL電路54LS10，在部件進(jìn)行老練和測試后失效，失效模式為輸入端漏電流增大。經(jīng)分析表明，失效由ESD或電浪涌損傷引起。解剖分析后發(fā)現(xiàn)芯片表面無任何電損傷痕跡，也無任何工藝缺陷，經(jīng)過各項試驗證實，輸入漏電不是氧化層內(nèi)的鈉離子沾污，也不是芯片表面的潮氣和可動電荷沾污所引起。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，失效的輸入端恰好是該部件的輸入端子，在測試和老練過程中該端子常與人體或設(shè)備的機(jī)殼相碰，且操作現(xiàn)場并未采取防ESD措施，所以判斷失效由ESD

　　損傷引起。此外，輸入端碰上有漏電的機(jī)殼也會引起類似失效。e.某星上用進(jìn)口的軍用CCD(電荷耦合器件)，在使用過程中不知不覺就失效，這不僅造成了重大經(jīng)濟(jì)損失，而且嚴(yán)重地影響了工作進(jìn)行。經(jīng)調(diào)查與分析，判斷失效由ESD損傷引起。因為該CCD是超大規(guī)模集成電路，又屬于MOS型器件，它對ESD特別敏感。根據(jù)靜電敏感度，完全屬于靜電放電最敏感的器件之一，只要100伏的靜電壓，就可能損壞(與MOS單管相差不多，甚至還要敏感)。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，工作間地板電阻率為1013~1014Ω/cm，它已不屬于防靜電地板(防靜電地板應(yīng)為106~108)，工作人員采取了防ESD措施，仍然有靜電荷積累。全面地采取了防靜電措施，這一失效就得到了有效的控制。f.雙極運算放大器LF253在入廠檢收和二次篩選中均發(fā)現(xiàn)失效，失效比例大約5%。經(jīng)解剖分析發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)償端的鋁條上有一小區(qū)域內(nèi)有“變色”現(xiàn)象，這種變色點是由瞬變電過應(yīng)力引起的局部高溫造成，它可能是ESD損傷引起的，因為LF253是雙極型電路，使用者并未采取必要的防ESD損傷措施，所以ESD操作的可能性很大。利用“靜電模擬器”進(jìn)行模擬試驗，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)償端與正電源之間的損傷電壓僅有6KV而其他端可達(dá)5.0KV，可見，運算放大器也要采取必要的防靜電措施。

　　g.彩電高頻頭內(nèi)的MOS場效應(yīng)管常有失效發(fā)生。經(jīng)過解剖分析，發(fā)現(xiàn)芯片表面有很小的“絲狀”擊穿通路。這種失效是由ESD引起的，因為彩電熒光屏上有40～50KV的靜電電壓，如果不慎將這樣高的靜電壓通過天線引入高頻頭，就很容易引起MOS管失效。h.某廠生產(chǎn)的高頻晶體管3DG142在入廠檢驗和二次篩選中常有失效發(fā)生，失效模式是eb結(jié)漏電或短路。經(jīng)解剖分析，發(fā)現(xiàn)eb結(jié)有輕微的燒毀痕跡。由于這種管子是雙極器件，使用者未采取防靜電措施。但這種高頻晶體管是淺結(jié)器件，易受靜電放電損傷。例如，當(dāng)測試人員剛走進(jìn)工作室在測試臺前坐下來時，人體上的靜電壓可能是比較高的，此時去拿晶體管進(jìn)行測試就很可能引起ESD損傷。由于eb結(jié)的面積很小，并且是淺結(jié)，所以損傷部位一般都是eb結(jié)(bc結(jié)不會損傷)?？梢?，對于高頻，特別是超高頻的小功率管，在使用過程中也應(yīng)適當(dāng)采取防靜電損傷措施。